一種光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學器件【技術領域】，尤其涉及一種光學系統(tǒng)，包括從物方到像方依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡；第三透鏡和第四透鏡采用塑膠非球面鏡片；第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡的焦距與整個鏡頭的焦距的比值滿足一定條件；第三透鏡的焦距和第四透鏡的焦距的比值也要滿足一定條件。本發(fā)明在采用了塑膠鏡片、大幅度降低鏡頭成本的同時，也解決了可見光與紅外光共焦、鏡頭成像溫度漂移這兩大難題。本發(fā)明做到了對可見光與紅外光均達到了全高清1080P以上的分辨率，并且在-40℃～85℃的寬溫度范圍內保持該分辨率不變的水平。
【專利說明】一種光學系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學器件【技術領域】，涉及一種可見光與紅外光共焦、極低溫度漂移的 包含玻璃鏡片與塑膠鏡片的光學系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 目前，在監(jiān)控鏡頭領域需要解決的難題主要有技術問題和性能價格比問題。
[0003] 其中，技術難題主要有兩個：
[0004] 第一，可見光與紅外光焦距相同。
[0005] 監(jiān)控鏡頭在白天和夜晚均處于工作狀態(tài)，白天的照明采用的主要是自然光，因此 白天被攝物所發(fā)出的光線主要是可見光，而夜晚則需要使用紅外光輔助照明，因此夜晚被 攝物發(fā)出的光線主要是紅外光或者由紅外光和可見光組成的混合光線。
[0006] 而由于可見光（波長以550nm為例）與紅外光（波長以850nm為例）在同一種光 學玻璃、光學塑膠中的折射率不一樣，這往往會導致可見光的焦點位置與紅外光的焦點位 置不一樣，也就是說通過鏡頭成像之后可見光成像清晰的位置與紅外光成像清晰的位置不 一樣。這樣就導致了市面上的普通監(jiān)控鏡頭很難兼顧白天和夜晚的成像清晰。
[0007] 目前業(yè)界采用的輔助解決可見光與紅外光共焦的一個主要辦法是，利用日夜切換 的濾光片的不同厚度，在白天使用較厚的濾光片，在夜晚使用較薄的濾光片。但是這種輔助 辦法在可見光和紅外光同時存在的時候成像效果很差，例如黃昏時候、夜間可見光與紅外 光照明并存的時候。
[0008] 第二，當環(huán)境溫度變化的時候鏡頭不需要重新調焦就能保證成像清晰。
[0009] 監(jiān)控鏡頭廣泛用于室內、室外，一年365天每天24小時處于工作狀態(tài)，鏡頭所處的 環(huán)境溫度變化巨大。監(jiān)控鏡頭典型的工作溫度要求是_40°C?85°C，鏡頭必須保證在這溫 差達到120多攝氏度的范圍內、在不進行重新調焦的情況下成像仍然跟20°C (常溫）一樣 清晰。
[0010] 由于鏡片材質的折射率會受溫度影響而發(fā)生變化，鏡片尺寸、鏡筒材質、鏡座材質 會隨著溫度的變化而熱脹冷縮，這些因素導致普通監(jiān)控鏡頭在高低溫環(huán)境下會出現不同的 成像后焦（后截距），稱作鏡頭成像的溫度漂移。
[0011] 業(yè)界解決這種問題的常規(guī)辦法是，盡可能地使用金屬來作為鏡筒和鏡座的材料， 通常使用鋁、銅。但是使用金屬材料來作為鏡筒和鏡座有幾個缺點：金屬材料制作的鏡筒、 鏡座的尺寸一致性比較差，對鏡頭的成像性能有影響；金屬材料比塑膠材料貴；當鏡頭的 后焦距（后截距）比較長的時候，使用金屬鏡座的熱脹冷縮變化量也很大，不太容易通過光 學設計來補償；金屬材料比較重。
[0012] 而目前需要解決的性能價格比問題是：在市場對鏡頭性能要求越來越高的同時， 市場又要求鏡頭的成本越來越低。
[0013] 如何在提高性能的同時又降低成本，是業(yè)界永恒的目標。
[0014] 目前市面上為了提高包括分辨率、可見光紅外光共焦、高低溫成像漂移在內的鏡 頭性能而采取的措施有：a.增加鏡片數量；b.使用非球面鏡片，包括玻璃非球面鏡片和塑 膠非球面鏡片。
[0015] 增加鏡片數量必然會增加鏡頭的成本；使用玻璃非球面鏡片也會增加成本，因為 玻璃非球面鏡片的成本是玻璃球面鏡片的3?10倍；使用塑膠非球面鏡片的話，市面現有 產品還沒有能夠解決塑膠鏡片產生的鏡頭成像溫度漂移問題的可行方案。
[0016] 綜上，在目前業(yè)界的產品中，能夠實現可見光與紅外光共焦、極低溫度漂移而同時 又相比現有產品做到成本更低的方案，還沒有出現。


【發(fā)明內容】

[0017] 本發(fā)明的目的在于：針對現有技術的不足，而提供一種能夠實現可見光與紅外光 共焦、溫度漂移極低、在降低成本的同時又能提高性能的光學系統(tǒng)。
[0018] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0019] 光學系統(tǒng)，包括從物方到像方依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透 鏡，所述第三透鏡和所述第四透鏡采用塑膠非球面鏡片；
[0020] 第一透鏡的焦距為負值，第二透鏡的焦距為正值，第三透鏡的焦距為正值，第四透 鏡的焦距為負值；
[0021] 在第二透鏡和第三透鏡之間設有光闌。
[0022] 塑膠鏡片的成本遠低于玻璃球面鏡片，故而降低了成本；又由于本發(fā)明的第三透 鏡和第四透鏡均采用了非球面鏡片，相比傳統(tǒng)的球面鏡片提高了性能；更重要的是，本發(fā)明 在采用了塑膠非球面鏡片的情況下，確保了鏡頭最佳分辨率成像位置的極低溫度漂移。
[0023] 我們知道，鏡片分為球面鏡片和非球面鏡片，非球面鏡片在校正鏡頭像差方面的 能力強于球面鏡片。而非球面鏡片又分為玻璃非球面鏡片和塑膠非球面鏡片。玻璃非球面 鏡片耐環(huán)境性能好，其折射率和尺寸受環(huán)境溫度變化而產生的變化量比較??；玻璃非球面 鏡片材質的種類較多，適合通過材料組合來解決可見光紅外光共焦問題。塑膠非球面鏡片 熱膨脹系數是玻璃的5?20倍左右，折射率Nd隨溫度變化的程度是玻璃的50?100倍左 右，當環(huán)境溫度變化的時候，塑料鏡片由于這兩個因素會導致單個鏡片焦距隨溫度變化而 變化，并最終影響到整個鏡頭焦距的變化。
[0024] 在常用的鏡片口徑范圍內，同樣體積、形狀的3種鏡片的成本對比如下：玻璃球面 鏡片的成本是塑膠非球面鏡片的3?10倍；玻璃非球面鏡片的成本是玻璃球面鏡片的3? 10倍，是塑膠非球面鏡片的10?100倍。
[0025] 采用非球面鏡片相比球面鏡片能夠有效提高性能，這是從光學原理可以推理得到 的。采用玻璃非球面鏡片的方案在技術上比較容易，但是玻璃非球面鏡片的價格太過昂貴， 在固定焦點的監(jiān)控鏡頭上使用會導致性價比下降。采用塑膠非球面鏡片可以提升常溫下的 光學性能，也能降低成本，最大的難題是要確保在大范圍的溫度波動下鏡頭不發(fā)生成像的 溫度漂移。
[0026] 關于鏡頭使用塑料鏡片之后產生的"溫度漂移"和其它性能下降以及相關技術背 景說明如下：
[0027] 當溫度發(fā)生變化的時候，光學材料的折射率η也會發(fā)生變化，以下公式定義了折 射率變化量Λη和溫度變化量ΛΤ的關系 ：
[0028]

【權利要求】
1. 一種光學系統(tǒng)，其特征在于： 從物方（10)到像方（5)依次設有第一透鏡（1)、第二透鏡（2)、第三透鏡（3)和第四透 鏡⑷； 第一透鏡（1)的焦距為負值，第二透鏡（2)的焦距為正值，第三透鏡（3)的焦距為正 值，第四透鏡（4)的焦距為負值； 在第二透鏡（2)和第三透鏡（3)之間設有光闌（6)。
2. 根據權利要求1所述的一種光學系統(tǒng)，其特征在于：第三透鏡⑶與第四透鏡⑷采 用塑膠鏡片。
3. 根據權利要求1所述的一種光學系統(tǒng)，其特征在于：第一透鏡（1)、第二透鏡（2)、第 三透鏡（3)和第四透鏡（4)的焦距與整個鏡頭的焦距之比分別滿足以下條件： -1. o>(fr /r )>-2.3 2. 7>(f2, /r )>1. 2 1. 7>(f3, /r )>0. 7 -0· 9>(f4' /f'）>-2. 1 ; 其中：f'是整個鏡頭的焦距；Π '是第一透鏡（1)的焦距；f2'是第二透鏡（2)的焦距； f3'是第三透鏡（3)的焦距；f4'是第四透鏡（4)的焦距。
4. 根據權利要求1所述的一種光學系統(tǒng)，其特征在于：第三透鏡（3)和第四透鏡（4)的 焦距之比例滿足以下條件： -0· 5>(f3' /f4'）>-1· 1。
5. 根據權利要求1所述的一種光學系統(tǒng)，其特征在于：第一透鏡（1)、第二透鏡（2)、第 三透鏡（3)和第四透鏡（4)的光學材料的色散系數分別滿足以下條件： VD1>55 VD2M5 VD3M8 VD4<35 ； 其中：VD1是第一透鏡（1)的色散系數；VD2是第二透鏡（2)的色散系數；VD3是第三透 鏡（3)的色散系數；VD4是第四透鏡（4)的色散系數。
6. 根據權利要求1所述的一種光學系統(tǒng)，其特征在于：所述第三透鏡（3)的后表面 (32)為凸面且中心凸向像方，所述第四透鏡（4)的前表面（41)為凹面且中心凹向物方。
【文檔編號】G02B13/00GK104267483SQ201410543418
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權日:2014年10月14日
【發(fā)明者】張品光, 鄒文鑌 申請人:東莞市宇瞳光學科技有限公司